DE3032108A1

DE3032108A1 - Messanordnung zum ermitteln der wirksamkeit eines erdwaermegewinnung im erdreich angeordneten waermetauscherelements

Info

Publication number: DE3032108A1
Application number: DE19803032108
Authority: DE
Inventors: Andreas Dr.-Ing. 1000 Berlin Hampe
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1980-08-22
Filing date: 1980-08-22
Publication date: 1982-04-01
Also published as: WO1982000713A1; DK176982A; EP0047224A1; EP0058201A1

Description

HP30.4 Seite 5

Beschreibung

Die Erfindung betrifft eine Meßanordnung zum Ermitteln der Wirksamkeit eines zur Erdwärmegewinnung im Erdreich angeordneten Wärmetauscherelements.

Bei derartigen im Erdreich angeordneten Wärmetauscherelementen besteht die Schwierigkeit, für die Auslegung einer bestimmten Wärmegewinnungsanlage die Wirkung eines einzelnen Wärmetauscherelementes vorauszusagen, da die Parameter des Erdreichs sehr stark von den geographischen Gegebenheiten abhängig sind.

Damit ist auch bei an sich baugleichen Wärme tau sehe relementen die praktische Wirksamkeit eines einzelnen Elmentes im ins Erdreich eingebrachten Zustand nicht von vorn herein vorherzusagen.

Die Kenntnis der Wirksamkeit der Wärmetauscherelemente ist insbesondere wichtig, um Anzahl, Länge und gegenseitigen Abstand der auf einem Grundstück für eine vorgegebene zu entnehmende Wärmeleistung bestimmen zu können.

Versuche, die Wirksamkeit eines Wärmetauscherelements über die von diesem entnehmbare und nach Einschaltung einer Wärmepumpe zur Verfügung stehende Wärmemenge reproduzierbar zu messen, sind fehlgeschlagen. Eine derartige Anordnung wäre wegen des großen apparativen Aufwands auch nicht geeignet, um bei Installation einer Erdwärmegewinnungsanlage schnell und unkompliziert Aufschluß über deren zu erwartende Leistungsfähigkeit zu erhalten.

HP30.4 Seite 6

Der im Anspruch 1 angegebenen Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der oben angegebenen Art anzugeben, die im Rahmen der Einrichtung einer Erdgewinnungsanlage ohne besondere Schwierigkeit eingesetzt werden kann, d.h. kompakt aufgebaut ist, mit den üblichen auf einer Baustelle vorhandenen Leitungsanschlüssen betreibbar und unkompliziert bedienbar ist. Die Meßergebnisse sollen dabei mit genügender Genauigkeit reproduzierbar sein.

Die Erfindung beruht unter anderem auf der Erkenntnis, daß die Bodenverhältnisse auf einem üblichen Hausgrundstück genügend homogen sind, um von einer einzigen Meßstelle Rückschlüsse auf die Gesamtbeschaffenheit der örtlichen Bodenverhältnisse zu ziehen. Da Wärmetransportvorgänge grundsätzlich umkehrbar sind, kann die Reaktion eines Wärmetauschers bei einem Erdwärmegewinnungssystem wesentlich einfacher und besser beobachtet werden, wenn eine Wärmeabfuhr durch Beheizen erfolgt, als wenn über Kühlaggregate die bei der Wärmegewinnung tatsächlich ablaufenden Vorgänge simuliert werden müssen. Entsprechend den bei der Messung gestellten Anforderungen ist die Erfindung in unterschiedlichen Varianten ausführbar. Eine tiefenabhängige Wärmeübergangsmessung ist bei einer besonders einfach herstellbaren bevorzugten Ausführung ohne Umwälzung des Wärmetransportmediums möglich.

Obgleich es entsprechend der Erfindung grundsätzlich ausreichend ist, die Erwärmung des Wärmetransportmediums bei konstanter Wärmeeinspeisung - ausgehend von einer Anfangstemperatur - zu beobachten, gestaltet sich die Messung für den Nichtfachmann wesentlich einfacher, wenn die zum

HP30.4 Seite 7

Aufrechterhalten einer definierten Übertemperatur notwendige Heizleistung ermittelt wird, da in diesem Fall die Messung von der bei längerfristiger Beheizung auftretenden Erwärmung des umgebenden Erdreiches unbeeinflußt bleibt.
5

Als Meßvorrichtung für die zugeführte Heizleistung eignet sich bevorzugt ein üblicher elektrischer Haushaltsstromzähler. Steht ein derartiger Zähler nicht zur Verfügung, kann über geeignete Meßeinrichtungen auch das Verhältnis der Ein- und Ausschaltzeiten eines Bimetallschalters durch Zählvorrichtungen oder dergleichen zur Anzeige festgehalten werden.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden nachfolgend näher beschrieben. Es zeigen:

Figur 1 ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung in Schnittdarstellung, welches mit besonders wenig Bauelementen realisiert werden kann und zudem noch eine tiefenabhängige Messung ermöglicht und

Figur 2 ein weiteres Ausführungsbeispiel, welches eine elektrische Umwälzpumpe enthält.

Das erste, in Figur 1 dargestellte, technisch besonders einfach herstellbare Ausführungsbeispiel ermöglicht eine tiefenabhängige Ermittlung der Wirksamkeit eines in die Erde eingebrachten Erdwärmetauscherelementes bzw. eine Aussage über die thermischen Parameter des entsprechenden Erdbereichs. Soll die Wirksamkeit eines Wärmetauschertyps

HP30.4 Seite 8

unter den besonderen Gegebenheiten des Erdreichs in einem geographischen Anwendungsgebiet überprüft werden, so wird dessen Außenrohr 1 in das Erdreich eingebracht und die aus den übrigen, nachfolgend zu beschreibenden Elementen bestehende Meßanordnung zu Meßzwecken vorübergehend in das in die Erde einbegrachte Außenrohr eingefügt. Sollen hingegen die thermischen Parameter des Erdreichs allgemein bestimmt werden, so wird zum Zwecke der Messung ein Außenrohr 1, welches typische Eigenschaften aufweist, eingebracht, das nach der Messung wieder entfernt wird, üblicherweise wird die Meßanordnung mitsamt einem derartigen typischen Außenrohr in den Handel gebracht, so daß beide Arten von Messungen durchgeführt werden können.

Die innere Meßanordnung weist ein zentrales, sich im wesentlichen über die gesamte Länge des Rohres 1 erstreckendes und wirksames Heizelement 2 auf, das durch elastische Zentrierstücke 3 in einer Entfernung von der Rohrwandung gehalten wird, welche bei in das Rohrinnere eingefüllter Wärmetransportflüssigkeit eine direkte Beeinflussung der Rohrwandung im wesentlichen verhindert. Aus Sicherheitsgründen wird das elektrische Heizelement mit Niederspannung betrieben.

Die Zentrierstücke können bei einer bevorzugten Ausführungsvariante einzelne Rohrbereiche in vertikaler Richtung voneinander ab, um bei verringerter Konvektion Aussagen über den Wärmeübergang in einzelnen Rohrbereichen zu ermöglichen.

An den Zentrierstücken 3 und 4 sind in ihrem äußeren Bereich Temperaturfühler 5 bzw. 6 angebracht, die eine Aus-

HP30.4 Seite 9

sage über die im Bereich der Rohrwandung vorhandene Temperatur ermöglichen. Die Zuführungsleitungen der Temperaturfühler 5 und 6 sind direkt mit dem Heizelement verbunden und werden durch eine Abschlußkappe 7, welche bevorzugt thermisch isolierend wirken kann, hindurchgeführt. Die Temperaturfühler sind innerhalb des Wärmetauscherelementes 1' soweit von dem Heizelement 2 soweit entfernt angeordnet, daß eine direkte Beeinflussung ausgeschlossen ist.

Ein Meßstellenumschalter 8 erlaubt die Temperaturmessung für mehrere in verschiedenen Tiefen angebrachte Meßfühler über eine Meß- und Anzeigegerät 9. Bei einer bevorzugten Weiterbildung der Anordnung ist in diesem Gerät 9 eine Regelvorrichtung vorgesehen, welche die der Heizvorrichtung zugeführte elektrische Leistung so regelt, daß sich bei einem vorgegebenen Meßfühler eine konstante Temperatur einstellt. Die zur Aufrechterhalten der konstanten Temperatur zuzuführende Leistung, die einen Rückschluß auf den vorhandenen Wärmeübergang erlaubt, wird dabei ebenfalls angezeigt.

Eine Meßlatte 10, welche mit dem oberen Zentrierstück 4 verbunden ist und nach oben aus dem Wärmetauscherelement herausragt, ermöglicht bei einem verschieblichen Zentrierstück eine Ermittlung des Ortes der Messung, so daß - wenn zur Verhinderung von Konvektion - der vorgesehene Meßbereich durch nicht darstellte zusätzliche schottenförmige Trennelemente vom übrigen Inneren des Wärmetauscherelementes abgetrennt ist - eine gezielte Ermittlung des Wärme-Übergangs in Abhängigkeit von der Tiefe vorgenommen werden kann.

3032Ί08

In Figur 2 ist eine weitere Meßanordnung dargestellt, welche eine Ermittlung des thermischen Verhaltens eines Wärmetauschereiementes und/oder des Erdreichs unter den dem tatsächlichen Betrieb einer Erdwärmegewinnungsvorrichtung sehr nahe kommenden Bedingungen ermöglicht.

Ein zu Prüfzwecken in das Erdreich eingebrachtes Außenrohr I¹ eines Wärmetauscherelementes ist mit einem Wärmetransportmedium, wie es im späteren Betrieb des Wärme tauschers benutzt wird, also beispielsweise einer Salzsole, gefüllt. Die aufgesetze Meßanordnung besteht aus einem Innenrohr 11, durch das das Wärmetransportmedium über eine elektrische Umwälzpumpe 12 in einem geschlossenen Kreislauf hindurchgedrückt wird, wobei eine an das Stromnetz angeschlossene Beheizungsvorrichtung 13 vorgesehen ist.

Zum Ermitteln der Wirksamkeit des Wärmetauscherelementes wird zunächst bei abgeschalteter Heizung nach einiger Betriebszeit der Pumpe 12 die sich an einem Thermometer 14 einstellende Temperatur abgelesen. Anschließend wird über einen Schalter 15 die Heizung 13 in Betrieb genommen und die Anordnung einige Stunden sich selbst überlassen. Erreicht die Temperatur des Wärmetransportmediums einen vorgegebenen Sollwert, so unterbricht ein Bimetallschalter 16 den Heizstromkreis. Die Ansprechtemperatur des Bimetallschalters ist dabei zweckmäßigerweise fest so eingestellt, daß sie einerseits deutlich über den bei Einrichtung einer Erdwärmegewinnungsanlage anzutreffenden Bodentemperaturen liegt, andererseits aber durch die Wirkung der Heizung 13 sicher erreicht werden kann. Geeignet sind anstelle des Bimetallschalters auch andere - gegebenen-

HP30.4 Seite 11

falls einen Linearbereich in der Umgebung der Solltemperatur aufweisenden - Temperaturregler.

Die zur Aufrechterhaltung der Übertemperatur notwendige Heizleistung stellt nun ein Maß dar für den Wärmeübergangswiderstand zwischen Erdwärmetauscher und umgebenden Erdreich: ist die zur Aufrechterhaltung der Temperatur notwendige Heizleistung verhältnismäßig groß, so wird der Wärmetauscher im Betrieb gute Eigenschaften aufweisen - ist die aufzubringende Leistung dagegen klein, so wird in dem gewählten Bodenbereich auch wenig Wärme zu entnehmen sein.

Gemessen wird diese Leistung durch einen üblichen Haushaltsstromzähler 17, der kostengünstig erhältlich ist. Zur Auswertung der Messung ist dabei beispielsweise die innerhalb eines vorgegebenen Zeitraums verbrauchte elektrische Energie zu abzulesen. Andere bevorzugte Meßanordnungen geben direkt die mittlere zugeführte elektrische Leistung aus. Derartige Meßeinrichtungen sind bekannt und brauchen hier nicht näher dargestellt zu werden.

Werden an die Genauigkeit des Meßergebnisses besonders große Anforderungen gestellt, so ist die außerhalb des Erdreichs befindliche Anordnung mit einer thermisch isolierenden Schicht zu umgeben. Für den praktischen Einsatz ist die Meßanordnung zweckmäßigerweise in einem geschlossenen gegebenenfalls thermisch isolierten Gehäuse 18 aufgebaut, welches über eine entsprechende Anschlußanordnung 19 an seiner Unterseite direkt auf das aus dem Erdboden herausragende Ende des Wärmetauscherelementes aufsteckbar ist.

HP30.4 Seite 12

Die Auswertung des Meßergebnisses erfolgt für alle beschriebenen Ausführungen in der Praxis mittels einer Tabelle, die in Abhängigkeit von Anfangstemperatur und aufgenommener Heizleistung und der während der Heizzeit bestimmten Temperaturen über die Wirksamkeit des gemessenen Elementes Aufschluß gibt. Aus den gewünschten Leistungsdaten der Gesamtanlage läßt sich daran anschließend direkt Anzahl, Länge und gegenseitiger Abstand der notwendigen zu installierenden Elemente ermitteln.

Das Meßverfahren ist unabhängig vom Typ des benutzten Wärmetauscherelementes verwendbar. Bei gleichartigen Bodenbedingungen lassen sich damit auch Vergleichsuntersuchungen betreffend die Wirksamkeit unterschiedlicher Typen von

Wärmetauscherelementen ohne besonderen Aufwand durchführen.

Leerseite

Claims

DIpI.-Ing. Henning Christiansen oUJ2 IUO

Patentanwalt

zugelassener Vertreter beim Europäischen Patentamt

Unter den Eichen 1O8a
D 1000 Berlin AB
Telefon OSO-831 4O 80

Dr.-Ing. Andreas Hampe 22. August 19 80

Lotzestr. 7

1000 Berlin 45
HP30.4

Meßanordnung zum Ermitteln der Wirksamkeit eines zur
Erdwärmegewinnung im Erdreich angeordneten
Wärmetauscherelements

Ansprüche

Iy Meßanordnung zum Ermitteln der Wirksamkeit eines zur Erdwärmegewinnung im Erdreich angeordneten Wärmetauscherelements, gekennzeichnet durch eine in das Außenrohr (1) des Wärmetauscherelementes (I¹) einschiebbare oder eingeschobene in einem Abstand von dem

HP30.4 Seite 2 ■ ■ ^:

Außenrohr geführte elektrische Heizvorrichtung (2), mindestens einen von der Heizvorrichtung thermisch getrennten ^p Temperaturmeßfühler (5, 6) und eine Anzeigevorrichtung (9)"

für die Temperatur. ...· ■:·■:.,

'■■'■.""'
2. Meßanordnung nach Anspruch 1, d' a d u r c h gekennzeichnet, daß die Heizvorrichtung (2) sich im wesentlichen über die gesamte iä ng e äes. Wärmetauscherelements (I¹) erstreckt» .
3. Meßanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch geke η η ζ e i-.c. h η e t , daß der Temperaturmeßfühler (5, 6) im wesentlichen χει der- Mitte der Längserstreckung der Heizvorrichtung (2) angeordnet ist. ■ · - . ■ , .
4. Meßanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gek en η ζ e i c h η e t , daß die

Temperaturmeßfühler (5, 6) derart angeordnet ist, daß sie sich während der Messung im Bereich der Wandung des Außenrohrs befindet. ...... ··:.: .'i:.. .-■>..?■
5. Meßanordnung nach Anspruch 4, d a d u r c ,h gekennzeichnet,., .daß der !Bampenaturnie ßfühler (5, 6) an einem die Heizvorrichtung in einer zentralen Position haltenden Führungselement (3, 4) befestigt ist.

ORIGINAL INSPECTED

ίο. * ι
6. Meßanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Führungselement (3, 4) eine Vertikalabtrennung für zwei aufeinanderfolgende Rohrbereiche bildet.
7. Meßanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Temperaturmeßfühler (5) mit einer aus dem Rohr herausragenden Meßlatte (10) verbunden ist, welche in ihrer Länge derjenigen des Wärmetauscherelements (I¹) entspricht und eine Teilung aufweist, welche, bezogen auf die Oberkante des Außenrohrs (1) eine Aussage über den Ort des Temperaturmeßfühlers ermöglicht.
8. Meßanordnung insbesondere nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch

einen mit einer Anschlußanordnung (19) für das Wärmetauscherelement (I¹) verbundenen abgeschlossenen Kreislauf mit einer Umwälzpumpe (12) für das Wärmetransportmedium,

eine in dem Kreislauf angeordnete elektrisch Heizvorrichtung (13), für das Wärmetransportmedium und

eine mit dem Wärmetransportmedium in thermischem Kontakt befindliche Temperaturanzeigevorrichtung (14).
9. Meßanordnung nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch eine mit dem Wärme trans-

HP30.4 Seite 4

portmedium in thermischem Kontakt befindlicher bei einer vorgegebenen, oberhalb der Erdtemperatur liegenden Temperatur ansprechenden Abschalt- oder Regelvorrichtung (16) für die Heizvorrichtung (13).
5
10. Meßanordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet , daß die Abschaltvorrichtung (6) aus einem Bimetallschalter besteht.
11. Meßanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine thermische Isolierung für den außerhalb des . Erdreichs befindlichen Teil der Meßanordnung vorgesehen ist.
12. Meßanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Meß- und Anzeigevorrichtung (17) für die der Heizvorrichtung zugeführte Leistung oder Energie vorgesehen ist.
13. Meßanordnung nach Anspruch 12, dadurch g e kennzeichnet, daß die Meßvorrichtung (17) für die zugeführte Energie bei einer elektrischen Heizvorrichtung aus einem Haushaltsstromzähler besteht.